Ứng dụng vi điều khiển pic16F877A và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm có tương tác với máy tính nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo trong hoạt động dạy học về các định luật thực nghiệm của chất khí lí tưởng - Nguyễn Huỳnh Duy Khang

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0167 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 128-137 This paper is available online at ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀ CÁC CẢM BIẾN ĐIỆN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM CÓ TƯƠNG TÁC VỚI MÁY TÍNH NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, SÁNG TẠO TRONG HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC VỀ CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CỦA CHẤT KHÍ LÍ TƯỞNG Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu việc chế tạo một bộ thí nghiệm khắc phục những hạn chế của các bộ thí nghiệm cùng loại hiện có về các định luật của chất khí lí tưởng. Chúng tôi sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, các cảm biến áp suất và nhiệt độ với sai số tương đối nhỏ hơn 2%, cùng với cơ cấu truyền lực có thể tạo ra một lực tối đa 80N và hệ thống ghi nhận thể tích bằng bộ đếm xung quang học có độ chính xác nhỏ hơn 0.1ml để thu nhận ba thông số trạng thái của khối khí cần nghiên cứu một cách liên tục, tự động thông qua chương trình giao tiếp đơn giản trên máy tính cá nhân và cho kết quả phù hợp các định luật thực nghiệm đã biết. Với thiết kế nhỏ gọn, bộ thí nghiệm này đơn giản hoá các thao tác lắp đặt, tiến hành và hiển thị dữ liệu đo đạc, cho phép giáo viên có thể thực hiện được các thí nghiệm về ba định luật thực nghiệm của chất khí một cách nhanh chóng, dễ dàng trong phạm vi một tiết học. Ngoài ra, học sinh có thể thực hành với bộ thí nghiệm này để hiểu sâu sắc hơn về các kiến thức trừu tượng được học, góp phần phát huy hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh. Từ khóa: Bộ thí nghiệm; định luật thực nghiệm chất khí; vi điều khiển; cảm biến; nhiệt động học. 1. Mở đầu Đổi mới phương pháp dạy học và ứng dụng khoa học, công nghệ vào dạy học đang là một nhu cầu cấp thiết [1]. Việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm nhằm giúp cho học sinh có thể tiếp xúc với các hiện tượng thực tế một cách trực quan là vô cùng cần thiết. Trong phần Nhiệt học, chương trình Vật Lí lớp 10 THPT, bên cạnh các bộ thí nghiệm do các hãng chế tạo thiết bị giáo dục nước ngoài (Pasco, Leybold, Phywe, . . . ) sản xuất có sử dụng cảm biến nhiệt độ, áp suất và bộ ghép nối [2-4] thì trong nước cũng đã có một số công trình nghiên cứu chế tạo các bộ thí nghiệm từ các vật liệu đơn giản (chai nhựa, vỏ lon, xi-lanh y tế, . . . ) [5-11] cho đến sử dụng cảm biến nhiệt độ và áp suất [12-15] để kiểm chứng các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái của khí lí tưởng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như không có hệ thống cơ học điều chỉnh thể tích khí được điều khiển bằng hệ thống điện và việc ghi nhận đồng thời ba thông số nhiệt độ, áp suất và thể tích vẫn chưa thể thực hiện được. Ngày nhận bài: 18/8/2016. Ngày nhận đăng: 20/9/2016. Liên hệ: Nguyễn Tấn Phát, e-mail: phatnt@hcmup.edu.vn 128 Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm... Như vậy, việc nghiên cứu chế tạo một bộ thí nghiệm về các định luật của chất khí lí tưởng có khả năng thay đổi thể tích của khối khí tự động thông qua chương trình điều khiển, cùng với cơ cấu đo thể tích với độ chính xác cao là một yêu cầu được đặt ra từ thực tiễn. Bằng cách sử dụng vi điều khiển PIC16F877A [16], cảm biến áp suất và nhiệt độ, bài báo này trình bày một bộ thí nghiệm có khả năng ghi nhận đồng thời và liên tục ba thông số trạng thái (áp suất, thể tích và nhiệt độ) của một khối khí xác định, có khả năng tương tác với người sử dụng thông qua chương trình giao tiếp trên máy tính cá nhân. Với cấu trúc hệ thống nhỏ gọn được đặt trên một đế nhựa kích thước 31cm 15cm và bộ ghép nối điện tử kích thước 15cm 14cm, cùng với giao diện tương tác đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính năng ghi nhận, xử lí, biểu thị và lưu trữ kết quả đo đạc, bộ thí nghiệm này sẽ làm đơn giản hoá các bước lắp đặt dụng cụ và các thao tác thực hiện thí nghiệm, giá trị đo của cả ba thông số trạng thái được cập nhật liên tục theo thời gian thực trên màn hình máy tính sẽ giúp tiết kiệm thời gian và công sức của người giáo viên khi sử dụng bộ thí nghiệm này để giảng dạy. Đối với học sinh, khi được giảng dạy hoặc trực tiếp thực hành trên bộ thí nghiệm này sẽ làm cho việc học bớt khô khan, trừu tượng, tăng tính hấp dẫn và góp phần khắc sâu kiến thức được học. Hình 1. Một số bộ thí nghiệm hiện có để giảng dạy về các định luật thực nghiệm của chất khí lí tưởng do (a) Phywe [4], (b) Leybold [3] và (c) Công ty Sách và Thiết bị trường học TP. Hồ Chí Minh [11] sản xuất 2. Nội dung nghiên cứu Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Trên cơ sở xác định các phương pháp và đối tượng nghiên cứu cụ thể, chúng tôi tiến hành thiết kế hệ thống thí nghiệm với ba phần chính và có mối liên hệ chặt chẽ với nhau được minh hoạ như hình 2. 129 Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy a. Hệ cơ học Xi-lanh thuỷ tinh 50ml (3) được sử dụng làm dụng cụ chứa khối khí cần nghiên cứu, có một đầu là piston (6) có thể dịch chuyển trong xi-lanh ít ma sát. Cảm biến áp suất (1) đóng kín đầu còn lại tạo thành bình chứa khí kín. Xi-lanh được đặt trong buồng mica chứa nước (8). Do thành xi-lanh mỏng, quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh nên nước và khối khí xem như ở cùng một nhiệt độ khi piston dịch chuyển chậm với tốc độ bình thường là 0.15mm/s. Giá trị nhiệt độ này được ghi nhận bằng cảm biến nhiệt độ (2) gắn chặt trên thành xi-lanh. Nhiệt dung riêng của không khí nhỏ hơn nhiệt dung riêng của nước nên sự cân bằng nhiệt giữa cảm biến nhiệt độ và khối khí sẽ cần nhiều thời gian hơn so với trường hợp cân bằng nhiệt giữa nước và cảm biến nhiệt độ. Ngoài ra, nếu đưa cảm biến nhiệt độ nằm trong xi-lanh chứa khí thì hệ thống ống nối giữa đầu ra xi-lanh với lỗ cắm cảm biến áp suất, ngõ ra của dây điện cảm biến nhiệt độ sẽ phức tạp hơn và tăng khả năng rò rỉ khí, làm cho kết quả thí nghiệm kém chính xác. Do đó, phương án đặt cảm biến nhiệt độ vào bên trong xi-lanh chứa khí không được chúng tôi lựa chọn. Hệ thống khuấy từ (7) đảm bảo nhiệt độ của nước luôn đồng đều trong toàn buồng chứa. Hình 3. Một số bộ phận cơ bản của bộ thí nghiệm: cảm biến áp suất (1), cảm biến nhiệt độ (2), xi-lanh (3), động cơ điện một chiều (4), hệ thống đếm xung quang học (5), piston (6), hệ thống khuấy từ (7) và buồng chứa nước (8). Piston được kết nối với hệ thống truyền động cơ học để điều khiển. Sự thay đổi thể tích của khối khí được xác định bằng cách đo khoảng dịch chuyển của piston thông qua việc đếm xung từ hệ thống đếm xung quang học (5) với sai số nhỏ hơn 0.1ml. Hệ thống truyền động bánh răng làm tăng lực đẩy/kéo của động cơ điện một chiều (4), giúp hệ thống có thể đạt được lực đẩy/kéo tối đa là 80N, đảm bảo piston di chuyển liên tục với tốc độ tối đa là 1mm/s. b. Mạch điện tử Mạch điện tử ghi nhận các giá trị áp suất, nhiệt độ từ các cảm biến, giá trị thể tích từ hệ thống đếm xung quang học và tương tác với người sử dụng thông qua giao diện trên máy vi tính. Sơ đồ khối của mạch điện tử được mô tả tổng quan như hình 5. Bộ xử lí trung tâm Vi điều khiển PIC16F877A được lập trình trên nền tảng ngôn ngữ C bằng phần mềm CCS Compiler có chức năng: thu nhận, xử lí tín hiệu từ các cảm biến, tương tác với người sử dụng thông 130 Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm... Hình 4. Hệ thống động cơ và đếm xung quang học: LED phát (1) và photodiode thu (2) Hình 5. Sơ đồ khối mạch điện tử qua giao diện được viết riêng cho bộ thí nghiệm này, nhận các lệnh điều khiển từ người sử dụng để điều khiển động cơ hoạt động theo các chế độ phù hợp, ghi nhận giá trị từ hệ thống đếm xung quang học để cập nhật chính xác thể tích của khối khí. Tất cả các thông số trạng thái tức thời của khối khí sau khi được thu nhận và xử lí sẽ được truyền dẫn lên máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232. Bộ cảm biến Cảm biến áp suất MPXH6400A [17] được sử dụng trong nghiên cứu này vì có khả năng đo đạc áp suất tuyệt đối trong khoảng 20kPa đến 400kPa với điện áp ngõ ra tăng tuyến tính từ 0.2V đến 4.8V theo áp suất, có khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -40◦C đến 125◦C và cho sai số tương đối tối đa là 1.5%. 131 Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy Hình 6. Vi điều khiển PIC16F877A (trái) và phần mềm CCS Compiler (phải) Cảm biến nhiệt độ LM35DZ [18] là một cảm biến nhiệt độ thông dụng, đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra của bộ thí nghiệm: đo đạc nhiệt độ trong dải nhiệt rộng từ -55◦C đến 150◦C, có điện áp ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ, sai số tuyệt đối thấp (±0.6◦C). Để đánh giá cảm biến LM35DZ, chúng tôi so sánh giá trị nhiệt độ thu nhận được từ cảm biến này với cảm biến Checktemp R©1 HI 98509 [19] trong môi trường nước có nhiệt độ thay đổi từ 80◦C đến 40◦C. Sai số tuyệt đối lớn nhất giữa hai cảm biến này trong suốt quá trình là 0.1◦C. Như vậy, cảm biến LM35DZ hoạt động ổn định, cho kết quả chính xác và đáng tin cậy. Hình 7. Cảm biến áp suất MPXH6400A (a) và cảm biến nhiệt độ LM35DZ (b) c. Giao diện tương tác trên máy vi tính Giao diện (hình 8) được viết bằng phần mềm Visual Studio 2015 Professional trên nền tảng Visual Basic. Sau khi đã chọn cổng kết nối ở vùng 1, người sử dụng có thể chọn đẳng quá trình cần tiến hành thí nghiệm ở vùng 2; thiết lập các thông số áp suất, thể tích và tốc độ lấy mẫu ở vùng 4; điều khiển sự dịch chuyển của piston thông qua các nút trong vùng 5; ghi nhận hoặc xoá dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và đồ thị bằng các nút trong vùng 3. Các thông số trạng thái tức thời của khối khí được thể hiện lên vùng 6, đồng thời được lưu trữ trong bảng 7 và cập nhật trên đồ thị 8. Tất cả thao tác của người sử dụng được ghi nhận tại thanh trạng thái 9. 3. Kết quả Sau khi xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thí nghiệm như hình 9, chúng tôi tiến hành các thí nghiệm ban đầu để đánh giá mức độ ổn định và chính xác của hệ thống thông qua việc kiểm nghiệm lại các định luật thực nghiệm của khí lí tưởng. 132 Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm... Hình 8. Giao diện giao tiếp với người dùng trên máy vi tính Hình 9. Hệ thống thiết bị thí nghiệm hoàn chỉnh a. Quá trình đẳng nhiệt Thực hiện quá trình biến đổi trạng thái đẳng nhiệt với các khối không khí có cùng áp suất ban đầu 101.3kPa và có thể tích lần lượt là 10ml, 14ml và 20ml tại nhiệt độ phòng 300.8K. Các thông số trạng thái được ghi nhận với tốc độ 1 dữ liệu trên giây và kết quả của các quá trình được thể hiện như hình 10. Mỗi khối khí được nén và dãn liên tiếp ba lần. Đồ thị biểu diễn các quá trình biển đổi này nằm chồng lên nhau, gần như là một đường liền nét, chứng tỏ hệ thống xi-lanh kín khí, hoạt động của các cảm biến ổn định. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất vào thể tích của khối khí trong quá trình này là một đường hyperbol, nghiệm đúng dạng của định luật Boyle – Mariotte: pV = const (1) 133 Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy Hình 10. Hệ thống thiết bị thí nghiệm hoàn chỉnh Để đánh giá mức độ chính xác của hệ thống, phương trình (1) được biến đổi thành: lnP = −lnV + lnC (2) với C là hằng số. Đồ thị biểu diễn phương trình (2) là một đường thẳng có hệ số góc bằng 1 với mọi giá trị số mol và nhiệt độ của khối khí. Trên ý tưởng đó, chúng tôi biểu diễn mối quan hệ giữa lnp và –lnV như hình 11. Các đường thẳng thu được có hệ số góc lần lượt là 0.79335; 0.78254 và 0.81150. Các giá trị này xấp xỉ bằng nhau, tuy nhiên lại có sai biệt tương đối lớn so với giá trị lí thuyết, vấn đề này cần phải được khảo sát chi tiết và cụ thể hơn. Hình 11. Đồ thị mối quan hệ giữa lnp và –lnV của các khối khí trong quá trình đẳng nhiệt 134 Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm... b. Quá trình đẳng tích Thực hiện lần lượt quá trình biến đổi đẳng tích với hai khối không khí ở thể tích 25ml và áp suất ban đầu tương ứng là 103kPa và 115kPa. Kết quả thu được từ thí nghiệm cho thấy, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng tích là đường thẳng, nghiệm đúng dạng của định luật Charles. Tuy nhiên, nếu ta kéo dài hai đường thẳng này thì chúng sẽ cắt trục áp suất tại các giá trị lần lượt là 17kPa và 22kPa thay vì đi qua gốc toạ độ. Nguyên nhân gây ra sự sai biệt này có thể bắt nguồn từ sai số trong giá trị đo của cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất hoặc do khối khí không tuyệt đối kín. Hình 12. Kết quả thực nghiệm quá trình biến đổi đẳng tích của các khối không khí Hình 13. Kết quả thực nghiệm quá trình biến đổi đẳng áp của khối không khí. c. Quá trình đẳng áp Thực hiện quá trình biến đổi đẳng áp với khối không khí ở áp suất 81.9kPa. Kết quả của thí nghiệm (hình 13) phản ánh đúng dạng của mối quan hệ tuyến tính giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối của khối khí trong quá trình đẳng áp. Tuy nhiên, đường làm khớp này không đi qua gốc toạ 135 Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy độ. Đây là một sai biệt so với lí thuyết. Vì vậy, thí nghiệm về quá trình đẳng áp cần phải được tiến hành với khoảng thay đổi nhiệt độ rộng hơn và với số mol khí nhiều hơn. 4. Kết luận Bộ thí nghiệm được nghiên cứu chế tạo trong bài báo này có thể thực hiện được ba định luật thực nghiệm của chất khí, có cơ cấu điều khiển, ghi nhận thể tích của khối khí với sai số nhỏ hơn 0.1ml và có thể thu nhận đồng thời một cách liên tục, tự động cả ba thông số trạng thái của khối khí cần nghiên cứu. Bộ thí nghiệm rút ngắn thời gian chuẩn bị và đơn giản tối đa các thao tác tiến hành và thu nhận dữ liệu. Người giáo viên, vì vậy, có thể sử dụng bộ thí nghiệm này trong quá trình tổ chức hoạt động dạy học vì có nhiều thời gian hơn để hoàn thành các nội dung dạy học khác trong thời lượng giới hạn của một tiết học. Ngoài ra, bộ thí nghiệm này có thể được dùng để học sinh thực hành, qua đó mục tiêu tăng cường hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh trong học tập được cụ thể hoá và hiện thực hoá. Tuy nhiên, sai số của bộ thí nghiệm vẫn còn lớn nên chưa cho phép tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng chính xác biểu thức các định luật luật thực nghiệm của chất khí. Vì vậy, hệ thống này cần được hiệu chỉnh các hàm truyền của các cảm biến nhiệt độ, áp suất. Ngoài ra, bình chứa khí cần được thiết kế lớn hơn để tăng số mol khí sử dụng cho thí nghiệm. Lời cảm ơn. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Xuân Quý, 2010. Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm vật lí trong trường phổ thông thực trạng và giải pháp. Tạp chí Thiết bị giáo dục, 61, tr. 10-18. [2] https://www.pasco.com/prodCatalog/TD/TD-8565_adiabatic-gas-law-apparatus [3] [4] https://www.phywe.com/en/equation-of-state-for-ideal-gases-with-cobra4-gas-laws-gay-luss ac-amontons-boyle.html [5] Nguyễn Ngọc Hưng, 2010. Sử dụng chai nhựa, vỏ lon chế tạo thiết bị dạy học Vật lí. Tạp chí Thiết bị giáo dục, 57, tr. 3-4. [6] Nguyễn Ngọc Hưng, 2010. Dùng chai nhựa và vỏ lon chế tạo thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chất lỏng và chất khí đứng yên. Tạp chí Thiết bị giáo dục, 62, tr.22-23. [7] Lê Minh Văn, 2014. Thiết kế bộ thí nghiệm chất khí bằng những vật liệu phế thải. Sáng kiến kinh nghiệm. Trường THPT Nguyễn Duy Trinh, Nghệ An. [8] Vũ Thị Nguyệt Anh, 2009. Bồi dưỡng phương pháp thực nghiệm Vật Lí cho học sinh khi dạy học một số kiến thức chương “Chất khí” Vật Lí 10, chương trình chuẩn. Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. [9] Phan Minh Tiến, 2012. Xây dựng và sử dụng một số thí nghiệm hỗ trợ quá trình dạy học các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”. Vật Lí 10 ban cơ bản. Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. [10] Phạm Văn Nam, 2013. Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm về các định luật chất khí – Vật Lí 10 Nâng cao. Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. 136 Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm... [11] [12] Trần Bá Trình, 2009. Chế tạo bộ thí nghiệm về các định luật chất khí dùng cảm biến và tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh trong dạy học chương Chất khí ở lớp 10 Trung học phổ thông. Luận văn Thạc sĩ Khoa học Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. [13] Trần Bá Trình, 2010. Chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu các định luật của chất khí và phương trình trạng thái của khí lí tưởng sử dụng cảm biến và bộ ghép nối. Tạp chí Thiết bị giáo dục, 55, pp. 9,10,11,15. [14] Nguyễn Xuân Thành, Trần Bá Trình, 2010. Creating an experiment to demonstrate gas laws using sensors and organizing creative awareness activities for students of the 10th grade who are learning about gas. J.Sci.HNUE, Vol 55, pp.37-41. [15] [16] Microchip Technology, 2003. Microchip PIC16F87XA 28/40/44-Pin Enhanced Flash Microcontrollers. Arizona. [17] Freescale Semiconductor, 2009. High Temperature Accuracy Integrated Silicon Pressure Sensor for Measuring Absolute Pressure. On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated, Texas. [18] National Semiconductor, 2000. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors, Texas. [19] Hanna Instruments, 2014. HI 98509 (Checktemp R©1) Instruction Manual. Rhode Island. ABSTRACT Using a PIC16F877A microcontroller and sensors to fabricate apparatus that will verifying ideal gas laws via personal computer in order to promote student creativity Nguyen Huynh Duy Khang, Nguyen Tan Phat, Nguyen Lam Duy Physics Department, Ho Chi Minh City University of Pedagogy This paper presents preliminary results on the fabrication of an apparatus that is an improvement over some commercialized systems which verify ideal gas laws. In this research, we use a PIC16F877A microcontroller, temperature and pressure sensors which have the relative errors of less than 2%, a small home-made gearbox which can generate a maximum force of 80 N and a volume measurement system based on an optical encoder with an error less than 0.1ml in order to automatically control and continuously measure three state variables through a user interface on a personal computer. This apparatus simplifies the installation, operation and collection of measured data allowing teachers not only to easily and quickly perform experiments of three ideal gas laws in a limited time interval but also to have the same results of well-known ideal gas laws. Moreover, students can practice with this apparatus to get a deeper understanding of the theories and engage in creative activities. Keywords: Apparatus. gas laws, microcontroller, sensors, kinetic gas theories. 137